龍門山地區(qū)水土流失敏感性評(píng)價(jià)及其空間分異

陳盼盼, 胡利利, 李亦秋,2, 鄧 歐

(1.綿陽師范學(xué)院 生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽 621000; 2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京100100)

龍門山地區(qū)水土流失敏感性評(píng)價(jià)及其空間分異

陳盼盼1, 胡利利1, 李亦秋1,2, 鄧 歐1

(1.綿陽師范學(xué)院 生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽 621000; 2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京100100)

[目的] 確定水土流失優(yōu)先保護(hù)區(qū)和需要生態(tài)修復(fù)的區(qū)域，為龍門山的生態(tài)環(huán)境治理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要的決策依據(jù)。[方法] 主要考慮降水、土壤侵蝕和地形起伏和植被覆蓋等通用土壤流失方程中的水土流失影響因子，對(duì)龍門山地區(qū)水土流失敏感性進(jìn)行辨識(shí)，并借助于3S技術(shù)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)采集和分析功能，計(jì)算水土流失敏感性綜合得分值，按照ArcGIS自然斷點(diǎn)分類方法將水土流失敏感性分為不敏感區(qū)、較敏感區(qū)、低度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)和極敏感區(qū)5個(gè)等級(jí)。[結(jié)果] 龍門山東部山前丘陵地區(qū)，人類活動(dòng)頻繁，水土流失敏感性最強(qiáng)，占總面積的34.12%；中部中海拔山地區(qū)域，水土流失敏感性次之，占總面積的28.30%；西部山區(qū)，水土流失敏感性最低，所占面積比重較小，為13.65%。[結(jié)論] 龍門山地區(qū)水土流失敏感性具有明顯的地域分異特點(diǎn)，人類活動(dòng)頻繁，對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)烈，水土流失敏感性最強(qiáng)，人類活動(dòng)是加劇龍門山地區(qū)水土流失敏感性的主要因素。

水土流失; 敏感性; 空間分異; 龍門山

文獻(xiàn)參數(shù)： 陳盼盼, 胡利利, 李亦秋, 等.龍門山地區(qū)水土流失敏感性評(píng)價(jià)及其空間分異[J].水土保持通報(bào)，2017,37(3)：237-241.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.040； Chen Panpan, Hu Lili, Li Yiqui, et al. Sensitivity assessment and spatial distribution of soil erosion in Longmen Mountains region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：237-241.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.040

水土流失是當(dāng)今全球面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的環(huán)境與災(zāi)害問題，嚴(yán)重的水土流失已造成了生態(tài)環(huán)境的急劇惡化，受到了越來越多的關(guān)注。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水土流失成為各類生態(tài)問題的集中反映，由此引發(fā)的全國(guó)性的生態(tài)脆弱問題，成為影響中國(guó)生態(tài)安全的頭號(hào)環(huán)境問題，而生態(tài)安全問題又關(guān)系到人類的生存和國(guó)家的穩(wěn)定，十八大以來，黨和國(guó)家政府大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，面對(duì)水土流失發(fā)展嚴(yán)峻新形勢(shì)，水土保持工作尤為迫切。2011年，中國(guó)水土流失總面積占國(guó)土總面積的30.72%，達(dá)2.95×106km2，水土流失嚴(yán)重，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。水土流失敏感性是指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水土流失生態(tài)過程發(fā)生的潛在可能性及其程度[2-3]。國(guó)內(nèi)外土壤侵蝕模型的基本分為3類：經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型[4]、物理成因模型[5-9]、分布式土壤侵蝕模型[10]。水土流失的影響因素諸多，包括降雨強(qiáng)度和頻率、 植被覆蓋、地形的坡度、土壤本身的抗侵蝕性等[11-14]。水土流失敏感性評(píng)價(jià)的實(shí)質(zhì)是對(duì)現(xiàn)狀自然環(huán)境背景下的潛在水土流失問題進(jìn)行明確辨識(shí)，并將其落實(shí)到具體空間區(qū)域上的過程[15]，用來反映產(chǎn)生生態(tài)失衡與水土流失的可能性大小，也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、人口負(fù)荷、土地利用合理程度的指標(biāo)之一，也是實(shí)施區(qū)域生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與管理的重要基礎(chǔ)依據(jù)。

龍門山地區(qū)位于青藏高原和四川盆地的過渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，生物多樣性豐富，是中國(guó)生態(tài)環(huán)境脆弱地帶，加之5·12汶川地震的破壞，特殊的地質(zhì)和地貌特征，以及長(zhǎng)期以來不合理開發(fā)利用，森林植被破壞，水土流失十分嚴(yán)重，造成大面積裸露，水土流失產(chǎn)生的大量泥沙還毀壞農(nóng)田，淤埋村莊，淤積干、支流水庫(kù)和下游河床，也嚴(yán)重威脅著河流下游地區(qū)的防洪安全。本文擬在確立水土流失敏感性影響因子的基礎(chǔ)上，借助GIS和RS技術(shù)，分析影響水土流失的各因子的敏感性，對(duì)水土流失敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和空間分異特征研究，實(shí)現(xiàn)敏感度綜合分區(qū)。同時(shí)確定水土流失優(yōu)先保護(hù)區(qū)和需要生態(tài)修復(fù)的區(qū)域，從而為龍門山的生態(tài)環(huán)境治理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

龍門山地區(qū)南起瀘定、天全縣，向北東經(jīng)寶興縣、都江堰、江油、廣元市進(jìn)入陜西省寧強(qiáng)、勉縣一帶，全長(zhǎng)約500 km，寬40～50 m，山峰起伏、河谷縱橫，地勢(shì)極為復(fù)雜，位于中國(guó)地貌第1階梯青藏高原和第2階梯四川盆地的過渡地帶，整體地勢(shì)西高東低，地貌主要以山前沖積平原、高山地貌和高原地貌為主[16]。龍門山斷裂帶由4條近平行的斷裂組成：龍門山斷裂帶東南的邊界斷裂灌縣—安縣斷裂，中央主斷裂映秀—北川縣斷裂，北西側(cè)的邊界斷裂汶川—茂汶斷裂和青川斷裂[17]。龍門山地區(qū)的水系以橫向河流為主，河流流向與龍門山走向垂直，河谷深切，水土流失敏感度高[18]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文主要的數(shù)據(jù)包括龍門山地區(qū)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(行政邊界、河流水系、道路交通等)，30 m×30 m DEM數(shù)據(jù)及遙感解譯得到的土地利用數(shù)據(jù)及植被覆蓋度遙感解譯圖，四川省及其周邊省市氣象站降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)資料等。

2.2 研究方法

(1) 通用土壤流失方程。對(duì)于水土流失敏感性的研究，大多數(shù)研究選擇的可行方法為確定合理的土壤侵蝕模型，選取能反映區(qū)域水土流失敏感性的因子，對(duì)區(qū)域的水土流失敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。20世紀(jì)60年代由Wischmeier等[4]提出的通用土壤流失方程，建立了水土流失量及其各影響因子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型[19]。本研究采用土壤流失通用方程，其計(jì)算公式為：

A=f·R·K·S·L·C·P

(1)

式中：A——土壤年流失量(t/a)；f——使A的單位(因R，K使用美習(xí)用單位)轉(zhuǎn)換為t/(km2·a)的常數(shù)=224.2；R——降雨侵蝕力因子；K——土壤可蝕性因子；S——坡度因子；L——坡長(zhǎng)因子；C——植被覆蓋或作物管理因子；P——保土措施因子。

(2) 水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的確定。水土流失的敏感性是自然因素所決定的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人為影響的反映敏感程度，影響水土流失的因素同樣影響著一個(gè)區(qū)域?qū)λ亮魇У拿舾行浴Ｔ诒狙芯恐?，以通用土壤流失方?USLE)為基礎(chǔ)，選用降雨侵蝕力因子(R)、土壤可蝕性因子(K)和地形起伏度等自然力因素，和與潛在植被及人類活動(dòng)關(guān)系密切的地表植被覆蓋因子等作為水土流失敏感性評(píng)價(jià)的指標(biāo)，運(yùn)用GIS和RS技術(shù)評(píng)價(jià)土壤侵蝕敏感性及其空間分異。根據(jù)目前對(duì)水土流失和有關(guān)生態(tài)環(huán)境研究的資料以及《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》，本研究從降水、地貌、土壤質(zhì)地和植被等主要因素對(duì)龍門山地區(qū)水土流失敏感性的影響規(guī)律，確定水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 龍門山水土流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(3) 以GIS為平臺(tái)的空間統(tǒng)計(jì)、空間分析方法。通過空間模型構(gòu)建空間疊加分析模型，采用GIS空間建模運(yùn)算得到敏感性綜合得分值空間分布，實(shí)現(xiàn)水土流失敏感性分區(qū)。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 敏感因子及其敏感性分級(jí)

(1) 降水侵蝕力R值。降水侵蝕力指有降水引起土壤侵蝕的潛在能力，它是降水的物理性質(zhì)函數(shù)，也是引起土壤侵蝕產(chǎn)沙的主要?jiǎng)恿σ蛩?。?guó)內(nèi)外對(duì)降水侵蝕力的計(jì)算進(jìn)行了大量的研究，從綜合資料的

可及性及適用范圍看，EI30仍是世界上應(yīng)用最廣的降水侵蝕力指標(biāo)。本研究采用王萬忠等[20]通過對(duì)全國(guó)313個(gè)站點(diǎn)年降雨資料的統(tǒng)計(jì)分析，得出的年降雨侵蝕力(R)值的估算公式：

R=0.207(P=I60/100)1.205

(2)

式中：I60——年最大60 min降雨量(mm)；P——年降雨總量(mm)。

本研究選取龍門山地區(qū)及周邊省份降雨站點(diǎn)的R值，采用內(nèi)插法，借助于ARCGIS 10.1空間分析和可視化表達(dá)工具，根據(jù)表1所示的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，繪制龍門山地區(qū)的年降水侵蝕力(R)值分布圖(圖1)。

圖1 龍門山水土流失敏感性因子分級(jí)

(2) 土壤可蝕性K值。土壤對(duì)水土流失的影響主要與土壤質(zhì)地有關(guān)，為了更準(zhǔn)確化水土流失的敏感度，采用反映土壤本身的侵蝕抗沖能力的土壤可侵蝕K值這一指標(biāo)來衡量。在本研究根據(jù)龍門山現(xiàn)有的土壤資料，并參考了卜兆宏等[21-22]的研究成果，發(fā)展了土壤可蝕性因子K值的算法，根據(jù)土壤質(zhì)地類型和有機(jī)質(zhì)含量從“USLE中土壤可蝕性因子K值表”查出相應(yīng)的K值，對(duì)龍門山地區(qū)主要土壤類型K值進(jìn)行賦值，根據(jù)表1所示的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，繪制龍門山地區(qū)水土流失對(duì)土壤質(zhì)地敏感性分級(jí)圖(圖1)。

(3) 地形起伏度LS。在USLE中，地形起伏度的計(jì)算比較復(fù)雜，本研究中采用地形起伏大小反映地形因子對(duì)水土流失敏感性的影響。地形起伏度是指地面一定距離范圍內(nèi)最大高程差。本研究中龍門山斷裂帶地形起伏度的計(jì)算是以龍門山斷裂帶地區(qū)DEM為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行鄰域分析，進(jìn)行7×7窗口的地形起伏度的提取，再根據(jù)表1所示的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，繪制龍門山地區(qū)水土流失對(duì)地形敏感性分級(jí)圖(圖1)。

(4) 植被覆蓋因子C。本研究的C因子通過2015年TM遙感影像來獲取。采用監(jiān)督分類遙感影像解譯得到植被類型圖，根據(jù)表1所示的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，繪制龍門山地區(qū)水土流失對(duì)植被覆蓋的敏感性分級(jí)圖(圖1)。

3.2 龍門山水土流失敏感性綜合評(píng)價(jià)

水土流失敏感性綜合得分與水土流失敏感性分區(qū)。將各水土流失敏感性評(píng)估指標(biāo)統(tǒng)一為基于CGCS 2000的平面坐標(biāo)系和500 m×500 m的柵格數(shù)據(jù)。在ArcGIS 10.1的Raster Calculator中將水土流失敏感性評(píng)估指標(biāo)分級(jí)值導(dǎo)入空間模型，通過模型運(yùn)算得到龍門山水土流失敏感性綜合得分值空間分布圖(圖2)。以龍門山水土流失敏感性綜合得分值空間分布為基礎(chǔ)，按照ARCGIS自然斷點(diǎn)分類方法，將水土流失敏感性分為不敏感區(qū)、低度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極敏感區(qū)5個(gè)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)龍門山水土流失敏感性分區(qū)，繪制龍門山水土流失敏感性分區(qū)分布圖(圖3)。

圖2 龍門山水土流失敏感性綜合得分分布

圖3 龍門山水土流失敏感性分級(jí)分布

根據(jù)龍門山水土流失敏感性分級(jí)分布圖3的敏感性等級(jí)及其面積字段，對(duì)5個(gè)敏感性等級(jí)的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 龍門山水土流失敏感性綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由圖3和表2可知：龍門山地區(qū)水土流失敏感性主要以中度敏感為主，面積為15 627.28 km2，占總面積的28.30%，主要分布在龍門山斷裂帶的中北部地區(qū)的北川、平武、青川、廣元和勉縣及寧強(qiáng)地區(qū)的中海拔起伏山地；其次是輕度敏感，面積為13 211.24 km2，占總面積的23.93%，主要分布在龍門山斷裂帶的西部地區(qū)，呈狹長(zhǎng)分布，主要位于青川縣、平武縣西北部地區(qū)的高海拔極大起伏山地、茂縣、汶川、寶興、天全縣的高海拔極大起伏山地；高度敏感和極敏感所占也比重較大，面積分別為9 600.17和9 238.17 km2，占總面積的17.39%和16.73%，主要分布在龍門山斷裂帶的東部地帶，呈線狀分布，主要位于廣元市低海拔小起伏山地和中海拔中起伏山地、江油、安縣、什邡、綿竹、彭州、都江堰、崇州、大邑、邛崍、名山、雅安等縣市的低海拔丘陵、低海拔小起伏山地、低海拔沖積平原和中海拔中起伏山地；不敏感區(qū)域的面積為7536.14 km2，所占面積比重較小，為13.65%，主要分布在龍門山斷裂帶的西部地區(qū)的北川、平武、青川、茂縣、汶川、天全、寶興、滎經(jīng)、漢源縣交界處的高海拔極大起伏山地。

4 討論與結(jié)論

(1) 從龍門山水土流失敏感性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果來看，研究區(qū)域內(nèi)水土流失敏感性具有明顯的地域分異特點(diǎn)，東部山前丘陵地區(qū)，人類活動(dòng)頻繁，人口和城市密集，對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)烈，水土流失敏感性最強(qiáng)，最高值達(dá)到7.46；中部中海拔山地區(qū)域，水土流失敏感性次之；西部山區(qū)，水土流失敏感性最低。對(duì)于生態(tài)環(huán)境較好的水土流失高敏感性區(qū)域，也應(yīng)該做好水土保持工作。

(2) 龍門山地區(qū)水土流失敏感性主要以中度敏感為主，面積為15 627.28 km2，占總面積的28.30%，分布在研究區(qū)的中北部地區(qū)的中海拔起伏山地等地區(qū)；其次是輕度敏感，面積為13 211.24 km2，占總面積的23.93%，分布在研究區(qū)的高海拔極大起伏山地等地區(qū)；高度敏感和極敏感所占也比重較大，面積分別為9 600.17和9 238.17 km2，占總面積的17.39%和16.73%，分布在研究區(qū)東部地帶的低海拔丘陵、低海拔小起伏山地、低海拔沖積平原和中海拔中起伏山地等地區(qū)；不敏感區(qū)域的面積為7 536.14 km2，所占面積比重較小，為13.65%，分布在研究區(qū)的西部地區(qū)的高海拔極大起伏山地等區(qū)域。

綜上所述，龍門山地區(qū)水土流失敏感性具有明顯的地域分異特點(diǎn)，東部山前丘陵地區(qū)，人類活動(dòng)頻繁，對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾強(qiáng)烈，水土流失敏感性最強(qiáng)，人類活動(dòng)是加劇龍門山地區(qū)水土流失敏感性的主要因素。立足于水土流失敏感性分區(qū)現(xiàn)狀，確定水土流失優(yōu)先保護(hù)區(qū)和生態(tài)修復(fù)區(qū)，加強(qiáng)相應(yīng)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，對(duì)于促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

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Sensitivity Assessment and Spatial Distribution of Soil Erosion in Longmen Mountains Region

CHEN Panpan1, HU Lili1, LI Yiqiu1,2, DENG Ou1

(1.EcologicalSecurityandProtectionKeyLaboratoryofSichuanProvince,MianyangNormalUniversity,Mianyang,Sichuan621000,China; 2.InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

[Objective] The regional priority with regard to soil and water loss and ecological restoration was explored to provide some major decision-making bases for ecological environment management and social and economic development in Longmen Mountains area. [Methods] Based on the powerful spatial analysis function of GIS, the spatial values of soil erosive sensitivity in Longmen Mountains area were identified and calculated in consideration of all comprehensive influence factors of soil and water loss, as precipitation, soil erosion, topography relief and vegetation cover, etc. According to the classification method of natural breakpoint of ArcGIS, areas in term of sensitivity degree of soil erosion were designated as following: insensitive area, sensitive area, low sensitive area, moderate sensitive area and extreme sensitive area. [Results] The highest sensitivity areas were mainly distributed in the eastern piedmont hills and alluvial plains, accounting for 34.12% of the total area. Moderate sensitivity areas were mainly distributed in the central hilly areas, accounting for 28.30% of the total area. Low sensitivity zone were mainly distributed in the western mountains, accounting for 13.65% of the total area. The covered areas by different sensitivity degree were largely overlapped spatial distribution of human activity frequency. [Conclusion] The sensitivity of soil and water loss in the study area had obvious regional differentiation with regard to the erosive sensitivity. It is the frequent human activity that cause strong disturbance to natural ecosystem and cause subsequent strong sensitivity to soil erosion.

soil erosion; sensitivity; spatial difference; Longmen Mountains

2016-11-15

2016-11-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“庫(kù)壩工程開發(fā)的生態(tài)極化效應(yīng)發(fā)生機(jī)理及其敏感性評(píng)”(41371486); 生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(ESP201304,QD2014A001); 四川省教育廳資助項(xiàng)目(14ZA0258); 綿陽師范學(xué)院工程碩士研究生創(chuàng)新實(shí)踐基金資助(XYCXXM201510)

陳盼盼(1990—),女(漢族),河北省定州市人,碩士研究生，研究方向?yàn)?S技術(shù)應(yīng)用。E-mail:jeno.chen@foxmail.com。

李亦秋(1973—),女(漢族),四川省達(dá)縣人,博士,教授。主要從事3S技術(shù)應(yīng)用、生態(tài)遙感、自然資源開發(fā)與利用研究。E-mail: yqiu.li@163.com。

A

1000-288X(2017)03-0237-05

S157